原型化技術(shù):了解清楚再動(dòng)手

發(fā)布時(shí)間:2010-10-12 21:15    發(fā)布者:conniede
關(guān)鍵詞: PCB , 電路板 , 原型化技術(shù)
微型元器件和高頻電路需要縝密的原型制作方法。

要點(diǎn)

* 現代原型制作需要全套的放大鏡、顯微鏡、燈和鑷子。

* “死蟲(chóng)”和覆銅板原型技術(shù)速度很快,但缺乏制作文檔。

* 繞接原型適用于低頻設計。

* 將電路板設計交給制造廠(chǎng)制作,是一個(gè)有利的開(kāi)始。

* 裝配廠(chǎng)可以提供快速的電路板周轉。

* 你的工作是提供一個(gè)經(jīng)過(guò)驗證的文檔包。


原型制作已變得比往日困難得多。這是因為,電子元件越來(lái)越小,一片IC現在只是一粒胡椒子或砂粒般大小。因此,必須對這些微型元件采取照明、觀(guān)察與處理措施(見(jiàn)附文1《原型制作:少動(dòng)腦,精巧工作》)。更有甚者,現在很多電路都工作在高頻下,因此元件之間不再只是簡(jiǎn)單的焊線(xiàn),必須用受控阻抗的走線(xiàn)連接這些電路。熱量管理帶來(lái)了更多的挑戰。

要制作一塊PCB(印刷電路板)的原型,需要燈、鑷子、放大鏡、顯微鏡和焊臺。一旦集齊了這個(gè)設備,就可以開(kāi)始建立自己的原型了。但有關(guān)模擬電路板的設計與布局要記住一些特殊注意事項。

建立一個(gè)電路原型的最快方式是“死蟲(chóng)”(dead-bug)技術(shù),美國國家半導體公司研究員和模擬專(zhuān)家Bob Pease支持這種方法,這個(gè)名稱(chēng)源于完成的原型,就像一只仰面朝天、腿向上伸的蟲(chóng)子。這種技術(shù)可以采用一塊結實(shí)的覆銅板作為地層。IC的接地腳直接焊接到地層上,而將其它元件在地層上方連接在一起。由于電路結點(diǎn)懸在空中(因而該技術(shù)有另一俗名,叫“air-ball”(空心球)原型方法),因此這種情況下的雜散電容要低于結點(diǎn)在電路板上的雜散電容。這種方法的缺點(diǎn)是難以將快速電路以可控阻抗連接起來(lái),雖然可以用雙絞線(xiàn)和同軸電纜作部件的連接。對于微型IC封裝,可以采用Digi-Key、Mouser、Newark、Allied、Jameco和其它分銷(xiāo)商的轉換板(圖1)。Jim Williams在Linear Technology公司的地位與Pease相當,盡管他有時(shí)也用死蟲(chóng)方法,但更喜歡采用覆銅PCB材料,用X-Acto刀切割銅箔制作連接。


另一種原型建立方法是采用預鉆孔的Vectorbord,這是Vector Electronics公司數十年前推出的產(chǎn)品。開(kāi)始可以用帶焊盤(pán)的打孔板(圖2)或有焊盤(pán)和電鍍通孔的打孔板。盡管這種材料每塊的價(jià)格在數百美元,但它做出的結實(shí)焊點(diǎn)能承受很大的機械應力。


一種更傳統的建立原型方法叫繞接,對數字設計很好用;當電路板上沒(méi)有高速信號時(shí),才可以將其用于模擬設計。通過(guò)這種方法,Cooper Hand Tools公司開(kāi)發(fā)了一種工藝(圖3),前題是必須知道時(shí)鐘上的下沖問(wèn)題。有這么一個(gè)例子,一位工程師花了兩周時(shí)間,試圖找出他的Z80處理器不工作的原因。他發(fā)現,繞接的電路板在設計的4MHz時(shí)鐘中產(chǎn)生了10%的下沖。為解決這個(gè)問(wèn)題,他在時(shí)鐘電路中串聯(lián)了一只33Ω電阻,以減弱下沖。對于尺寸適度的電路板,還是值得花錢(qián)購買(mǎi)一個(gè)電動(dòng)或手動(dòng)壓繞工具,代替便宜的六角柱形工具作引線(xiàn)繞接。將柱形工具的未繞端插入一個(gè)孔中,用它來(lái)展開(kāi)大量管腳。


注意,當全部是模擬電路時(shí),沒(méi)有一種方法永遠有效;可能不得不將各種技術(shù)結合起來(lái),才能得到一個(gè)有用的設計。例如,可以將有死蟲(chóng)式接線(xiàn)區的覆銅接線(xiàn)部分與預制演示板和繞線(xiàn)互連區相結合。如果可以從IC制造商獲得一塊演示PCB,或從Avnet這類(lèi)分銷(xiāo)商得到參考設計,就不需要使用任何此類(lèi)技術(shù)了。

如果電路板有幾十根走線(xiàn),就無(wú)法在覆銅材料上雕刻。不過(guò),很多公司都提供預涂光刻膠的覆銅板。光刻膠是一種對光線(xiàn)敏感的材料,可形成一個(gè)覆蓋表面的圖樣,可以制成雙面PCB的薄膜。此外需要的唯一工具就是一間暗室和一臺激光打印機。確認在計算機中將圖形翻轉,這樣當把圖樣放在光刻膠上時(shí),激光墨粉筒會(huì )直接壓印在光刻膠上,這種方法產(chǎn)生了格狀線(xiàn)。很多公司(包括Injectorall)既提供預涂的電路板,也提供光刻膠,供使用者涂到電路板上。

另一種原型制作方法不需要光刻膠。用激光打印機將原圖墨粉印到一種特殊的塑料薄膜上,并將此薄膜的墨粉一側貼到一塊覆銅板上。這種墨粉轉印方法需要烙鐵或熱板加熱,這類(lèi)設備中的熱量將塑料薄膜圖上的墨粉轉印到電路板上?梢杂靡粔K浸透氯化鐵的海綿在銅箔上擦拭,磨蝕掉電路板上暴露的銅箔,這種方法去除銅箔要比搖晃罐子快。


這種拓印工藝的發(fā)明者Frank Miller也是PCB制造供應商Pulsar的創(chuàng )建人,他還給光刻膠工藝增加了一個(gè)步驟,用二次轉印密封材料。Yamaguchi Consulting公司所有人Wayne Yamaguchi也是Miller方法的擁護者,他說(shuō):“關(guān)鍵是熱滾層壓機和TRF(墨粉反應箔)的二次使用,它增加了墨粉的強度,可以在蝕刻工藝中直接拓印。直接拓印時(shí)的蝕刻時(shí)間現在為一分鐘或兩分鐘!

1 證明原型的效果

用CAD(計算機輔助設計)文件制作電路板時(shí)可在設計過(guò)程的早期檢驗文件的有效性,這樣當電路進(jìn)入生產(chǎn)階段時(shí)就不會(huì )出太多問(wèn)題。墨粉轉印方法需要蝕刻和手工鉆孔。采用銑床技術(shù)也可以做電路板。例如,LPKF提供圖4中的銑床,它可以驗證你的Gerber文件和鉆孔文件。設備的起價(jià)為11900美元,包括將普通Gerber文件轉換為銑床刀具路徑(用于隔離走線(xiàn))的軟件。在100 mil(0.001英寸)間距的電路板部件上采用銑床刀具,可以將這些間距減少到10 mil。對于形狀和銅箔間距都很重要的RF設計,可以將銑床軟件設定為精確地復制出走線(xiàn)間隔。在這種模式下,銑床工作在需要銑除的大面積銅箔上以光柵方式運行,即通過(guò)系統地獲取像素間距的一個(gè)網(wǎng)格形狀,來(lái)重現整幅圖像。與那種一次過(guò)程就能將線(xiàn)網(wǎng)互相隔離的方法相比,這個(gè)過(guò)程花費時(shí)間較長(cháng)。

采用銑床做復雜的原型時(shí),完成一件只要花數小時(shí)時(shí)間。用銑床可以作進(jìn)一步切割,直到走線(xiàn)達到正確的阻抗。不過(guò),應注意的是,層間鉆孔無(wú)法做出一個(gè)通孔連接;必須在通孔中焊一小段線(xiàn),才能實(shí)現連接。LPKF提供一種套件,用導電環(huán)氧樹(shù)脂填充過(guò)孔,并為多層板提供小型電鍍槽。要看是否需要通風(fēng)套裝或處理這些材料中的有害物質(zhì)。如果你的公司需要為一個(gè)小型電鍍槽投資數百萬(wàn)美元,你會(huì )需要應付導電環(huán)氧或過(guò)孔中焊線(xiàn)問(wèn)題。

2 進(jìn)入電路板廠(chǎng)

使用上述原型技術(shù)以后,一塊電路板最終呈現在眼前。用死蟲(chóng)式元件或在覆銅材料上用X-Acto刀可完成概念驗證檢查。不過(guò),如果需要做一個(gè)產(chǎn)品,那么最好還是在CAD軟件包中開(kāi)始做一塊電路板,而不要在沒(méi)有任何文檔情況下,將元件焊接在一起。Datadog Systems公司顧問(wèn)John Massa指出,以他47年的經(jīng)驗來(lái)說(shuō),每個(gè)項目總能歸結為PCB布局與建立原型。他說(shuō):“為快速周轉的電路板支付費用幾乎沒(méi)有壞處。最終得到的總是一個(gè)更好的產(chǎn)品!蹦愕墓ぷ鞑粌H是讓電路工作起來(lái),而且還要提供一個(gè)制造用的文檔包,無(wú)論制造商是你的公司,還是中國的一家合同制造商。墨粉轉印原型法能檢查Gerber文件,但無(wú)法檢查鉆孔文件。銑床可驗證鉆孔文件,但不能復制絲網(wǎng)印工藝。對于微型SMD(表面安組裝元件)封裝和其它CSP(芯片級封裝),銑床就會(huì )有麻煩。要做出一塊能用的電路板,必須有一臺狀況良好,經(jīng)過(guò)完美設置的銑床。


所有這些約束條件為將電路板設計由PCB制造廠(chǎng)去完成提供了很好的理由(圖5)。PCB制造已有10多年歷史,它可以花費數千美元,耗時(shí)數周時(shí)間,也可以在24小時(shí)內幾百美元就完成。很多聲譽(yù)卓著(zhù)的PCB廠(chǎng)可以在數天內將PCB文件轉換為一塊電路板。不過(guò),只有一些公司在為工程師提供服務(wù)方面表現出色。其中一家公司是Sierra Proto Express,它從提供的文件制作兩、三塊電路板,幾天內就可以交貨,收費不到200美元。據Sierra公司所有人ken Bahl稱(chēng),對快速周轉原型的需求出現于20世紀90年代初期。到1996年,PCB廠(chǎng)Advanced Circuits的經(jīng)理們也明白了快速周轉原型的好處。另一家先行者是Sunstone Circuits,它以前曾是Tektronix公司的獨家電路板供應商。這些公司都可以在一天內提供雙面板,數天內提供多層板,但各家側重于不同的原型服務(wù)。

Advanced Circuits公司聲稱(chēng)能按時(shí)交貨。該公司銷(xiāo)售與營(yíng)銷(xiāo)副總裁Larry McQuinn說(shuō):“我們對整個(gè)過(guò)程都留了冗余機器。如果一臺機器壞了,我們仍然能按時(shí)完成訂單!盇dvanced公司亦提供在線(xiàn)的實(shí)時(shí)DRC(設計規則檢查)。你可以將自己的文件上傳到一臺服務(wù)器,幾小時(shí)之內就可以收到一個(gè)報告,詳細說(shuō)明其中的不足或制造問(wèn)題。如果制作廠(chǎng)發(fā)現一個(gè)問(wèn)題,必須停止工作以等待你作修改,采用這種方案可以使你避免損失一天或更多時(shí)間。Advanced還提供免費的PCB Artist布局工具,它可以為你創(chuàng )建單層板和多層板所需要的全部文件。


Sierra Proto Express公司走的是另一條路:擴展它的原型板技術(shù)(圖6)。該公司正常情況下可以提供窄至3 mil線(xiàn)寬的電路板,同時(shí)也能做2 mil線(xiàn)和間距、埋孔與盲孔,以及激光打孔,埋孔與盲孔可以位于任意層或重疊層上。盡管該公司提供的銅箔層厚度達6 oz,但理智的工程師都知道,他們不能期望在同一塊板上兼得2 mil間距和6 oz厚銅箔。Sierra還可以提供62 mil厚度的14層板,以及多達30層的更厚的板。特性包括1 mil直徑的測試焊盤(pán)和最先進(jìn)的表面處理與層壓板。

Sunstone公司也遠非只是一個(gè)單層板制作廠(chǎng)。該公司提供快速周轉的原型和免費的PCB123 CAD工具。該公司還開(kāi)發(fā)了用于常規布局軟件包的DFM(可制造設計)插件,如Altium公司的Designer和Cadsoft公司的Eagle用它就可以設定正確的Sunstone設計規則。這些軟件包會(huì )對你設計電路板時(shí)的任何錯誤作上標記。Sunstone公司還與Screaming Circuits公司一起組裝電路板。該公司的CAD軟件包可以做Digi-Key公司的價(jià)格檢查,而Sunstone公司可以通過(guò)監控電路板的組裝,從而節省運輸與物流費用。
雖然這三家美國公司可滿(mǎn)足本地、本州和聯(lián)邦對污染控制的所有標準,但你也可以找到可靠的海外PCB制造廠(chǎng),如愛(ài)爾蘭的PCB-Pool公司,它從1994年起就開(kāi)始制作原型板。該公司按板收費,不收布線(xiàn)費,因此,如果你有很小的電路板需要布線(xiàn),PCB-Pool是一個(gè)好的選擇。該公司確實(shí)要收絲網(wǎng)印和阻焊費用,但價(jià)格很有競爭力。

3 進(jìn)行裝配

現在你已有了原型板,那么就必須組裝它,或聯(lián)絡(luò )一家裝配廠(chǎng)做這件事(見(jiàn)附文2《PCB裝配:自己干還是發(fā)出去干?》)。在你的職業(yè)生涯中,應嘗試過(guò)向制造廠(chǎng)發(fā)出至少一塊原型板,并讓一家合同制造商裝配它。你獲得的經(jīng)驗將有助于理解制造業(yè)的興衰和迫切需求。制造廠(chǎng)已準備好提供幫助,哪怕你是在餐巾紙上畫(huà)出的設計,你將能得到較低的設計成本,因為對制造過(guò)程有了深入理解。Sierra Proto Express公司的營(yíng)銷(xiāo)總監Amit Bahl表示:“擁有一家好的電路板廠(chǎng)是一家創(chuàng )新公司的一部分!奔词鼓阌兴膫(gè)月來(lái)做一塊原型板,也非常值得擁有一家能提供三天內電路板周轉的制造廠(chǎng)。這樣,你的營(yíng)銷(xiāo)與銷(xiāo)售組織就有時(shí)間對產(chǎn)品作審查,也許將你的一臺原型板送給一位客戶(hù)。然后,你就有機會(huì )作出改進(jìn),在不到一周時(shí)間內做出一個(gè)更好的電路板版本。當產(chǎn)品完成的時(shí)候,你就有一個(gè)甚至遠超出客戶(hù)預期的設計。當你的競爭者試圖趕上時(shí),你可以轉向降低成本或提高性能,從而永遠保持領(lǐng)先地位。

4 附文:原型制作:少動(dòng)腦,精巧工作

無(wú)論你是做焊接、測試,或只是把一只器件從卷帶中取出,都要能夠看到微小的器件。首先,確認你的工作區有充足的照明。在適度的電力價(jià)格下,電子鎮流器式照明有良好的總體照明效果。你也可能希望用鹵素射燈或裝在反射罩內的微型熒光燈,用于工作區的局部照明。裝在臺面上的鉸接燈也可用(圖A),手邊還要有幾支不同尺寸的手電(圖B)。你經(jīng)常會(huì )在調試時(shí)向機殼里看,一把小手電能讓你看清內部狀況,F在還有能裝在眼鏡框上的手電,以及很多可以戴在頭上的傳統醫用燈。如果你需要趴在某些設備下面調試自己的原型,這些能騰出雙手的燈就特別有用。



物體有了足夠的照明還需要放大。放大鏡有利于細節檢查和讀取器件號(圖C),但還需要一臺顯微鏡,用于將器件焊接到電路板上(圖D)。奧林巴斯、尼康和萊卡都提供很好的機型。Wild顯微鏡的質(zhì)量最好,但只有庫存貨可用。對于預算有限的人來(lái)說(shuō),Motic提供與Wild顯微鏡觀(guān)感相同的產(chǎn)品,價(jià)格只有幾分之一。如預算更緊張,可以到eBay上尋找任何一種立體顯微鏡,包括Bausch & Lomb和American Optical的舊型號。應確保顯微鏡提供長(cháng)的視覺(jué)距離,這樣物鏡可以距離物體5 in以上。有了這一特性,就可以在觀(guān)察電路板的同時(shí)使用烙鐵、探頭和X-Acto刀。


目鏡最大應有10×的放大率,4×變焦就夠用了。20×變焦放大率過(guò)高,需要不斷移動(dòng)電路板才能看到焊接的內容?梢詫otic顯微鏡配一塊0.5×的物鏡,將變焦水平減少50%。對低功耗檢查或裝配,顯微鏡可以在物鏡與工作件之間獲得一個(gè)適宜的工作間距。顯微鏡下方區域照明可以采用彎曲光纖照明或圍繞物鏡的環(huán)形燈(圖E)。如果你覺(jué)得臉貼在目鏡上無(wú)法工作,可以考慮Vision Engineering公司專(zhuān)利的Dynascope或Mantis顯微鏡(圖F)。通過(guò)旋轉觀(guān)察頭內一個(gè)雙凸透鏡面,Dynascope可以在一個(gè)10 in以外的屏幕上提供立體圖像。不過(guò)這種技術(shù)可不便宜,即使在eBay上,較新的型號也要賣(mài)大約2500美元。Vision Engineering公司在自己的網(wǎng)站上以1625美元價(jià)格銷(xiāo)售較小的Mantis Compact型號。


一旦有了觀(guān)察原型的充足照明和顯微鏡,還需要一些夾取小電路板和器件的工具。仔細查看Digi-Key、Newark、Mouser、Jameco或Allied公司目錄中有關(guān)原型的部分,可以找到有關(guān)鑷子、小螺絲刀和其它需要工具的線(xiàn)索(圖G)。在你可承擔范圍內盡可能挑貴的:25美元一對的Swiss鑷子好于5美元一對的,后者可能彎曲、歪斜或不能正確閉合。你可以用吸氣工具取放原型,但夾住電路板或組件的虎頭鉗更重要。Panavise是這一領(lǐng)域的領(lǐng)先者,提供多種虎頭鉗,包括可以從邊緣夾持一塊PCB(印刷電路板)的型號(圖H)。普通Panavise鉗有一個(gè)問(wèn)題,在電路板上使用焊接烙鐵時(shí)可能會(huì )融化虎頭鉗的聚丙烯鉗爪。為解決這個(gè)問(wèn)題,Panavise為其產(chǎn)品提供了特氟隆鉗爪。有些工程師不太關(guān)心防靜電程序,但這種態(tài)度可能源于他們生活和工作的地點(diǎn)。潮濕氣候下的人們可能工作多年也碰不上一起ESD(靜電放電)造成的故障,而在密西根這類(lèi)冬季干燥地區的人們卻可能摧毀摸過(guò)的每一塊電路。

另外,還必須以有組織和有序的方式保存自己的原型部件(圖I)。把自己的工作臺看作一個(gè)電路板的小型制造廠(chǎng)。用CAD(計算機輔助設計)軟件包提供的BOM(物料清單)列表打印出一系列標簽。然后,將這些標簽貼到部件柜的各個(gè)抽屜上。這種有組織的庫存方法有利于電路板的裝配工作,并且你可以把柜子交給一家合同制造商,用于電路板的手動(dòng)生產(chǎn)。它還可以用于意外損壞了一個(gè)部件的場(chǎng)合:你確切地知道從哪里得到備件。如果你不在辦公室,也可以向技工或其它協(xié)作者準確地說(shuō)明電路板的部件在哪里。


原型的焊接是下一個(gè)問(wèn)題。你可能打算考慮Metcal公司的焊接烙鐵。該公司的烙鐵有一個(gè)向烙鐵頭提供RF能量的基座,它吸收RF并轉換為熱量。當覆蓋烙鐵頭尖的復合物達到其居里點(diǎn)時(shí)(高于此溫度將損失其特有的鐵磁性能),它就停止吸收RF能量,從而控制烙鐵頭的溫度。無(wú)限次的溫度控制循環(huán)為接頭提供了更好的熱能傳送。這個(gè)熱能通過(guò)烙鐵尖末梢和長(cháng)度,送到焊盤(pán)和引線(xiàn)上。

美國國家半導體公司的現場(chǎng)應用工程師Joe Curcio說(shuō):“要找那些末端與尖部短而粗的焊接系統”,他曾在Metcal作過(guò)技術(shù)營(yíng)銷(xiāo)工作!斑@種型號有為焊點(diǎn)供熱的最佳熱量通道!边@一原則永遠有效,無(wú)論是對RF供熱的工具(如Metcal的焊接工具),還是普通的電阻發(fā)熱式烙鐵尖。2005年,Curcio發(fā)現Weller Silver系列有最佳性能。

Yamaguchi Consulting公司所有人Wayne Yamaguchi偏愛(ài)JBC公司的工具。Techni-Tool和Howard Electronic公司也都分銷(xiāo)JBC的烙鐵。不過(guò)這種工具很昂貴:一套完整工具包括一個(gè)控制單元,一個(gè)50W手持烙鐵,用于脫焊的微型鑷子,以及底座和架子,這些在Howard Electronic的網(wǎng)站上開(kāi)價(jià)1200美元。

你焊接技術(shù)工具庫中的另外一個(gè)有價(jià)值的武器是熱風(fēng)烙鐵,如Hakko公司的產(chǎn)品(圖J)。這種類(lèi)型的烙鐵類(lèi)似于一把空氣加熱槍?zhuān)隳苄⌒牡乜刂茰囟群蜌饬,很多可更換的金屬嘴確保能將熱量送到想要的地方。對于SMD(表面組裝器件)封裝和其它CSP(芯片級封裝)等焊球器件,在缺少回流焊爐時(shí),一把熱風(fēng)烙鐵可能是唯一的焊接手段。

現代原型中要求緊密間隙的小電路也需要小型熱縮管。對于這種需求,250W的Weller 6966C熱風(fēng)槍比大型槍更加有用,它能更好地適應于漆皮剝除工作(圖K)。


Yamaguchi指出,你并不需要用一把2萬(wàn)美元的工具去完成一個(gè)回流爐工藝。他采用的是一臺20美元的商用多士爐,用于自己原型的回流加工。訣竅在于確定工藝的特性,如時(shí)間、溫度和預熱,如電路板廠(chǎng)那樣。

當你遇到有連接核心金屬片(中心用于部件散熱的大焊盤(pán))的部件時(shí)會(huì )出現另一個(gè)挑戰。一般情況下這個(gè)焊盤(pán)要焊到一個(gè)與散熱片有熱連接的部件上,因此難以焊接。你可以用暴力方法:在部件上涂一些液體助焊劑,用大烙鐵,將熱量傳遞到部件的塑料區,直到與核心連接的金屬片重新活動(dòng)。塑料有較低的熱導率,意味著(zhù)有時(shí)你需要在電路板下放第二只烙鐵,加熱那些從金屬片帶走熱量的過(guò)孔。一種較好的方法是用熱風(fēng)槍?zhuān)踔猎诒趁嬖偈褂靡话褵犸L(fēng)槍?zhuān)约皩ζ骷旧泶禑釟。最終,你可能會(huì )使用熱風(fēng)拆焊臺,它有一個(gè)小真空泵,通過(guò)烙鐵頭中心的一個(gè)小孔抽吸真空。

原型的拆焊要比焊接更有挑戰性。Yamaguchi報告說(shuō),他用自己的多士爐加熱整塊電路板,確定哪些部件能脫落。作為一種更精心選擇的方案,工程師長(cháng)期使用手工操作的“吸焊槍”,從通孔中吸出焊錫。正確做這一操作時(shí),最終能從孔中吸出所有焊錫。然后用烙鐵從通孔的一側撬引線(xiàn),它就會(huì )卡嗒一聲彈出。一旦用這種方式松開(kāi)了所有引線(xiàn),就可以使器件脫離電路板。吸焊器采用特氟隆吸嘴,這樣烙鐵就不會(huì )將吸嘴融化成一個(gè)球形。你可能希望投資購買(mǎi)一件拆焊臺,里面有一臺小真空泵,可通過(guò)烙鐵尖中心的一個(gè)小孔施加吸力,用于需要大量拆焊工作的場(chǎng)合。與手動(dòng)吸焊器一樣,一旦拆焊臺吸出了焊錫,要用尖的側面將引線(xiàn)挑離通孔。

另外一種有價(jià)值的技術(shù)是吸焊帶,這是一種含有助焊劑的銅絲編織帶。將吸焊帶置于焊點(diǎn)上,用任何烙鐵加熱。吸焊帶就會(huì )通過(guò)毛細作用,吸收焊錫。與吸錫器一樣,必須在瞬時(shí)施加熱量時(shí)將引線(xiàn)挑離通孔。在拆焊過(guò)程中,助焊劑的使用也很重要。助焊劑不僅能清潔焊點(diǎn),而且提供了一種將熱量傳導給焊錫的重要方法。如果未能除去所有焊錫,就可能需要重新焊接焊點(diǎn),或用液態(tài)助焊劑填充焊點(diǎn)。這種方法可以使焊點(diǎn)完全融化,從而在第二次嘗試時(shí)去除所有焊錫。你可以從分銷(xiāo)商目錄找到液態(tài)助焊劑和裝在標簽筆中的助焊劑。盡管互聯(lián)網(wǎng)提供了豐富的信息,但勤勉的工程師可能還是愿意翻閱紙質(zhì)目錄,看其它人在使用什么器件和工具。

拆焊表面組裝元件的方法有兩種,可以施加足夠多的熱量,將整只器件及其引線(xiàn)的溫度升高至熔點(diǎn),也可以用兩只烙鐵,對電阻、電容和二極管的每個(gè)焊盤(pán)上用一只。不過(guò),Metcal的Talon拆焊鑷子提供了一種更簡(jiǎn)便的辦法(圖L)。該設備有兩個(gè)加熱的尖,這樣就可以同時(shí)對兩只焊盤(pán)加熱。有些工程師不僅用鑷子夾取,也用其將元件放到電路板上。不過(guò),用Talon置放時(shí)需要靈巧的手感;必須多加小心,不要將元件吸離焊盤(pán),或使元件成“墓碑”,即立在一只焊盤(pán)上。


拆焊一只BGA(球柵陣列)型封裝更具挑戰性。使BGA脫離電路板非常直接簡(jiǎn)明,你可以采用熱風(fēng)烙鐵或熱風(fēng)槍拆焊BGA。但將一只新器件重新焊到電路板上卻很困難。要均勻地涂覆一層焊膏,需要使用一個(gè)不銹鋼模板,其孔洞對應于BGA焊盤(pán)的位置。用一個(gè)橡膠滾在模板上拖動(dòng)焊膏,施加精確且可重復數量的焊膏。下一個(gè)問(wèn)題是定位。當作電路板布局時(shí),要在銅箔上作出“參考點(diǎn)”(witness mark),它告訴你BGA封裝的邊界。這種方法使你將器件放到電路板上時(shí)容易對準位置。重新焊接還有一個(gè)問(wèn)題,你需要一種重新加熱電路板的統一方法,或用熱風(fēng)槍?zhuān)蛴枚嗍繝t,或者用一些其它工具。

所有這些問(wèn)題就引出了熱風(fēng)再焊臺(圖M)。這些焊接臺可從上、下吹熱風(fēng),這樣接地層和散熱銅箔都不會(huì )吸走熱量,從而得到一個(gè)良好的焊點(diǎn)。上方的熱量由專(zhuān)門(mén)配合BGA而制造的噴嘴產(chǎn)生。這種方法能防止熔化BGA以外的元件焊點(diǎn)。


BGA周?chē)枰恍┍Wo間隙,裝配廠(chǎng)會(huì )認為你在設計電路板時(shí)已經(jīng)提供了這個(gè)間隙。他們在重新焊接你的電路板時(shí),也需要使噴嘴圍繞BGA動(dòng)作。盡管這些熱風(fēng)在焊臺的熱量控制和整形很重要,但最關(guān)鍵的特性是一個(gè)雙成像攝像系統。這個(gè)攝像頭會(huì )在將BGA置于電路板上以前,在BGA器件與電路板之間滑動(dòng)。攝像頭提供BGA底面的一幅圖像,另一幅是你電路板的頂層圖。然后,可以在X和Y兩個(gè)方向移動(dòng)電路板,并旋轉真空吸嘴上的器件,使BGA與電路板完美地對準。然后將攝像頭推開(kāi),開(kāi)始一個(gè)計算機控制的運動(dòng),使BGA貼到電路板上。此時(shí)你關(guān)閉真空泵,BGA下跌數mil(千分之一英寸)距離,落在電路板的焊膏上。由于你控制著(zhù)整個(gè)過(guò)程的熱量和位置,因此可以獲得與拾取機和回流焊爐媲美質(zhì)量的焊點(diǎn)。

5 附文:PCB裝配:自己干還是發(fā)出去干?

無(wú)論你是在覆銅板上刻出電路板,還是用LPKF機器銑出電路板,或者交給制造廠(chǎng)去生產(chǎn)電路板,你都要把它裝配起來(lái)。無(wú)論你是把器件表寫(xiě)在餐巾紙上,還是可能有一臺計算機從邏輯圖工具中生成的BOM(物料清單),現在都可以在一天內,從主要分銷(xiāo)商得到這些元器件。注意,如果你到一家廢品回收院內的商店購買(mǎi),那么就可能買(mǎi)到灰色市場(chǎng)的元器件,它們是某些人從垃圾箱里扒來(lái)的,未能通過(guò)最終測試的元器件。你可能還需要做更多的原型或進(jìn)入量產(chǎn),你不希望冒無(wú)法找到足夠數量垃圾部件的風(fēng)險。較好的方法是只向那些銷(xiāo)售新元器件和有實(shí)時(shí)庫存的渠道采購。

你應該嘗試組裝自己設計的電路板,這樣能更好地了解設計可能給合同制造商帶來(lái)的困難和問(wèn)題區。合同制造商報告稱(chēng),設計者在設計階段的選擇就決定了一個(gè)產(chǎn)品高達80%的成本,再多的第二貨源或與供應商的談判也不可能顯著(zhù)降低產(chǎn)品的成本。即使工作很小,也不必羞于向Flextronics、Aeroflex或其它合同制造巨頭開(kāi)口(參考文獻A)。他們可以將你引見(jiàn)給一家本地合同裝配廠(chǎng),做你的原型產(chǎn)品。Sierra Proto Express會(huì )接管你的整個(gè)項目設計。該公司可以做邏輯圖和布局、制造與電路板裝配,所有這些都在數周內完成。

你可以通過(guò)互聯(lián)網(wǎng),尋找一家位于自己所在地區的小型合同制造商。一個(gè)本地資源總是便于處理緊急情況,例如你需要一些人返工,或加夜班裝配一塊電路板。有良好跟蹤記錄的裝配廠(chǎng)包括Rapid SMT Assembly和Naprotek。有些小型合同制造商由他們的返工人員手工裝配你的電路板。其它廠(chǎng)家則堅持至少每種器件都用一碼帶卷,這樣你的電路板就能通過(guò)他們的拾放機器,這是個(gè)好主意,它可以驗證你插件文件的有效性,這個(gè)文件中記錄了所有元器件的X-Y位置。正如你可以在一天內做遠程PCB制造并拿到板子一樣,你也可以快速地拿到裝配好的電路板。一家公司是Advanced Assembly(參考文獻B)。另外一家能處理所有階段的公司是VSE。裝配公司正在實(shí)現十年前電路板公司解決的問(wèn)題。他們可以在幾天內,幫助工程師提供一個(gè)正式、適宜且功能正常的原型,從而獲得良好的收益。這也使他們參與到企業(yè)的初建階段,這樣他們也能?chē)L試大批量制造。這種方案適用于所有人。

很多工程師沒(méi)有請合同制造商做預算。那么就研究下本文的第一個(gè)附文,熟悉微型元器件的取放和焊接。通常情況下,你都會(huì )有一名技工或產(chǎn)品裝配員來(lái)組裝你的原型。但要知道,他可能并不情愿連夜趕工去裝配原型板。正如你最好了解電路板廠(chǎng)如何處理你的文件一樣,你也應該觀(guān)察或至少自己裝一塊電路板。這么做會(huì )對自己設計的可制造性問(wèn)題有一個(gè)概念,這些問(wèn)題經(jīng)常帶來(lái)返工或接觸元器件的難題。懂得這些問(wèn)題可以使你的下一塊電路板布局有更好的結果。

如果你必須手動(dòng)裝配一塊原型板,就需要一塊焊錫模板。這種不銹鋼制的薄板上有很多孔洞,形狀與你電路板上的焊盤(pán)相同。將焊膏涂抹在模板一側,將其放在電路板頂層,用膠輥使焊膏均勻地分配到每個(gè)焊盤(pán)上。然后將元器件粘到焊膏上,并用爐子作電路板回流焊,或手工焊接,或用針對BGA和其它無(wú)暴露引線(xiàn)器件的熱風(fēng)槍。Advanced Circuits公司能以適度的附加價(jià)格為你的電路板提供模板。

如果你的電路板有BGA或LLP,或其它非暴露引線(xiàn)的封裝,裝配返工和檢查會(huì )困難得多。有些醫療設備需要目視檢查。它們甚至不能采用這種類(lèi)型的封裝。如果你的電路板上確實(shí)有一片BGA,有時(shí)檢查它的唯一方式是采用X射線(xiàn)機。盡快與一家本地裝配廠(chǎng)合作,確認它擁有X射線(xiàn)機,以及更換電路板上每種元器件所需要的全部返工工具。

隨著(zhù)電路板越來(lái)越復雜,它們原型制作需要的工具和技術(shù)也更復雜。你可以在車(chē)庫環(huán)境中做大量工作,但要生產(chǎn)出先進(jìn)的電路板,就需要與制造廠(chǎng)、原型裝配廠(chǎng)和合同制造商的合作。越早嘗試這些,就能越快地獲得有利的競爭地位。
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